|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы Глава 13. ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ 13.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ Е.мкостные измерительные преобразователи нашли широкое применение при проектировании датчиков уровнемеров и манометров, измерителей иесплошности и других механических величин. Емкостные преобразователи представляют собой электрические конденсаторы, емкости которых меняются вследствие изменения под действием измеряемой величины площадей перекрытия обкладок, расстояний меж,цу обкладками или диэлектрической проницаемости среды, находящейся между обкладками. В зависимости от того, какой параметр в датчике является информативным (связанным функционально с измеряемой величиной), с какой средой и в каких внешних условиях он должен работать, выбирают принципы его проектирования: принцип действия и конструктивное выполнение, материалы элементов конструкции, технологию изготовления и принципы преобразования выходного сигнала в форму, удобную для передачи и регистрации. По конструктивному решению чувствительных элементов (конденсаторов) емкостные датчики подразделяют на плоскопараллельные, коаксиальные, стерлсневые, с обкладками, выполненными из сеток, и т. д. Несмотря на кажущееся отличие, конструктивные решения можно свести в основном к двум типам: коаксиальному и плоскопараллельному. Пренебрегая краевыми эффектами, емкость датчика с плоскопараллельными обкладками, работающего в диэлектрических средах, можно упрощенно записать в виде Ci=(eoes)/d, (13.1) если информативными параметрами являются расстояние d между обкладками или диэлектрическая проницаемость е контролируемой среды, или Ci= [eo(8rSi + 8,s,)]/d, (13.2) если информативным параметром является площадь (уровень) перекрытия обкладок датчика контролируемой средой с диэлектрической проницаемостью е,,. 332 в выражениях (13.1) (13.2) 8о - электрическая постоянная (8,87-10" Ф./м); е-с - диэлектрическая проницаемость контролируемой среды; Бг - диэлектрическая проницаемость газообразной среды; S - полная площадь перекрытия обкладок; Sj - площадь перекрытия части обкладок, расположенных в газообразной среде; Sg - площадь перекрытия обкладок, расположенных в исследуемой среде. Соответствующие упрошенные выражения для аналогпчкых случаев коаксиального датчика имеют вид ln[fT(d/i)f (1-3 где L - полная длина обкладок датчика; - длина части обкладок датчика, расположенной в газообразной среде; - длина части обкладок датчика, расположенной в исследуемой среде; /j - радиус внутренней обкладки датчика. В реальной ситуации выражения емкостей датчиков с учетом воздействия влияющих величин имеют более сложный вид. Их вывод и анализ будут изложены в последующих параграфах. Однако приведенные выражения позволяют оценить область применения преобразователей в зависимости от того, какой из параметров (d, .Sg, L, е) является информативным. Датчики с переменными расстояниями (зазорами) d обычно применяют при измерениях, связанных с малыми перемещениями (менее 1 мм) [8], например прогибами мембран датчиков давления; датчики с переменной площадью перекрытия обкладок контролируемой средой применяют в уровнемерах, а датчики с переменной диэлектрической проницаемостью - в измерителях несплошности. Опыт разработки современной датчиковой аппаратуры показывает, что емкостные датчики можно успешно применять для измерения несплошности ряда диэлектриков и слабопроводящих Жидкостей, для измерения уровня диэлектрических и проводящих сред и давления практически в любых средах (диэлектриках, слабопроводящих и проводящих). Однако на практике наибольшее распространение получили емкостные датчики для измерения в средах-диэлектриках. Для таких датчиков накоплен богатый опыт по разработке (выбору) конструкций чувствительных элементов и методов преобразования выходных сигналов с учетом электрических свойств контролируемых сред и условий эксплуатации. Емкостные датчики чаще всего работают в области слабых электромагнитных полей. Для таких полей диэлектрическую среду достаточно характеризовать двумя параметрами: диэлек- трической проницаемостью е и углом диэлектрических потерь fi (электрической проводимостью G). Все диэлектрики по своим электромагнитным свойствам делят на полярные, слабополярные и неполярные. К полярным относятся среды с е > 12, например вода, метиловый и этиловый спирт, ацетон и т. д. <ак известно, полярные диэлектрики имеют большую величину удельной проводимости (G 10" См/м) и значительные диэлектрические потери; tg б у таких сред существенно зависит от частот, на которых производится измерение [20]. К слабополярным относятся среды с диэлектрической проницаемостью, удовлетворяющей условию 3 <: е <: 6. Удельная проводимость у них Ю"-10~® См/м. Диэлектрические среды с е << 3 образуют группу неполярных диэлектриков. К ним относятся растительные и минеральные масла, нефтепродукты и их производные (керосин, бензин и др.), сжиженные газы, такие, как азот, кислород, водород и т. д. Диэлектрическая проницаемость указанных масел и нефтепродуктов колеблется в диапазоне 1,8-2,5, сжиженных газов - в диапазоне 1,25-1,5. Группа иеполярных жидких диэлектриков обладает хорошими изоляционными свойствами. Их удельная электрическая проводимость не превышает 0,5-10~" - 0,5-10 См/м. Большинство диэлектриков этой группы обладает малыми диэлектрическими потерями. При измерении уровня и несплошности жидких диэлектриков определенное влияние на результат может оказать газовая фаза, расположенная в датчике уровня выше поверхности жидкости, а в полости датчика несплошности - в виде пузырей и других форм газовых включений. Газовая фаза может состоять из смеси паров контролируемой среды и воздуха или других газов. По электрическим свойствам газы также делят на полярные и неполярные. Диэлектрическая проницаемость последних близка к единице (у газообразного водорода е = 1,00027, у кислорода е = 1,00065, у азота е = 1,00068) и мало зависит от температуры. На практике она принимается равной 1. 13.2. ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ УРОВНЕМЕРОВ Широкое распространение в отечественной и зарубежной практике получили емкостные уровнемеры дискретного и непрерывного действия [45, ИЗ]. Из схем уровнемеров (рис. 13.1, 13.2) видно, что основным элементом любого емкостного уровнемера являются конденсатор- датчик уровня /, помещенный в баке, и преобразователь 2 изменений емкости датчика в электрический сигнал. В дискретном емкостном уровнемере (рис. 13.1) уровень контролируемой среды достаточно точно регистрируется в момент. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 [ 109 ] 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 |